基于超材料的新型吸波材料及其天線隱身應(yīng)用進(jìn)展

吸波材料是能有效吸收入射電磁波、降低目標(biāo)回波強(qiáng)度的一類功能材料。傳統(tǒng)的吸波材料大多是基于Salisbury吸收屏原理設(shè)計(jì)，其典型不足是體積過大。隨著通信、隱身等領(lǐng)域?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/吸波材料">吸波材料性能要求越來越高，傳統(tǒng)吸波材料已不能滿足民用、尤其是軍事應(yīng)用需求。因此，研制更薄、更輕、頻帶更寬的新型吸波材料已成為當(dāng)前的緊迫課題。

超材料（Metamaterial，MTM）是近年來電磁領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其特點(diǎn)是具有亞波長的周期性單元結(jié)構(gòu)。該單元結(jié)構(gòu)如同傳統(tǒng)材料的原子和分子，通過空間組合，可表現(xiàn)出新的電磁特性和功能。超材料的研究經(jīng)歷了電磁帶隙結(jié)構(gòu)（Eleetromagnetie Band Gap，EBG）、左手材料（Left Hand Material，LHM）和基于光學(xué)變換的異向介質(zhì)等發(fā)展歷程，其特性幾乎涵蓋電磁領(lǐng)域。研究表明，利用超材料的奇異電磁特性，不僅可改善天線和微波器件性能，研制新型設(shè)備，還可為新型吸波材料的研制提供新的技術(shù)手段。

綜述基于超材料的新型吸波材料及其在天線隱身應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，對(duì)比分析各種吸波材料的特點(diǎn)，展望其在天線隱身領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1、基于MTM的新型吸波材料

依據(jù)MTM的電磁特性，基于MTM的吸波材料，（Metamaterial Absorber，MA）可分為兩類：利用同相反射特性的吸波材料和利用媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的吸波材料。

1.1、同相反射特性吸波材料

同相反射特性吸波材料依據(jù)其同相反射特性角的不同，可分為吸波型吸波材料和干涉型吸波材料兩類。

1）吸波型吸波材料。該吸波材料包括兩部分：具有同相反射特性的MTM結(jié)構(gòu)層和損耗層。損耗層材料可以是傳統(tǒng)電損耗材料，也可以直接將集總電阻加載在貼片之間作為損耗層，選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚悼梢栽谝欢l段內(nèi)較好地吸收入射電磁波。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依然是基于Salisbury屏原理，但由于MTM同相反射特性，不存在0.25 λ波長厚度限制，可以實(shí)現(xiàn)超薄特性。

2000年，N.Engheta等首次提出利用MTM同相反射特性實(shí)現(xiàn)超薄吸波材料的構(gòu)想。基于該構(gòu)想.2005年，S.Simms等利用mushroom-like EBG結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超薄吸波結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將耗損層放置在離高阻表面很近的地方，從而實(shí)現(xiàn)一定頻帶內(nèi)的吸波作用。以此設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，Gao等進(jìn)一步提出外加集總電阻構(gòu)成吸波結(jié)構(gòu)的方案，并給出反射系數(shù)和相位測(cè)試參數(shù)，如圖1，2所示。與Simms等提出的吸波結(jié)構(gòu)相比，Gao等人提出的吸波材料更薄、且結(jié)構(gòu)更為緊湊。

2）干涉型吸波材料。該吸波材料按電磁波相干涉原理設(shè)計(jì)。對(duì)于傳統(tǒng)干涉型吸波材料，當(dāng)電磁波垂直入射到吸波材料表面時(shí)，一部分被反射出去，該反射波稱為第一反射波，其余透入材料，在自由空間與材料間界面以及材料與金屬界面之間來回反射。當(dāng)電磁波每次返回自由空間與材料界面時(shí)，都有一部分穿出此界面返回自由空間，這部分波疊加后形成第二反射波。若兩種反射波處于同一偏振面且相位相差180。則發(fā)生干涉，導(dǎo)致總的反射波能量急劇衰減。該吸波材料的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較厚，吸收頻帶較窄。

2007年，Maurice Paquay等利用高阻EBG結(jié)構(gòu)的同相反射特性，設(shè)計(jì)了一種新型干涉型吸波材料，如圖3所示。該吸波材料利用具有完美磁導(dǎo)體（PMC）特性的高阻EBG結(jié)構(gòu)與完美良導(dǎo)體（PEC）結(jié)構(gòu)組成棋盤結(jié)構(gòu)。二者反射相位相差l80。其反射波相互干涉，使來波方向能量衰減，同時(shí)將后向散射能量轉(zhuǎn)移到其它角度，如圖4所示。鼻錐方向目標(biāo)RCS可降低20 dB以上，-10 dB吸收帶寬為6.45 %，結(jié)構(gòu)厚為0.062 5 λ。針對(duì)該設(shè)計(jì)材料帶寬較窄問題，2009年Zhang等分別提出了利用兩種具有不同反射相位特征的高阻EBG結(jié)構(gòu)組成棋盤結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。通過改進(jìn)，該型吸波材料的-10 dB吸收帶寬分別達(dá)到58.5%和32 %，結(jié)構(gòu)厚度降至0.042λ。

1.2、媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)吸波材料

基于MTM媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)吸波材料的設(shè)計(jì)原理為：通過優(yōu)化MTM結(jié)構(gòu)模型和調(diào)控MTM結(jié)構(gòu)單元的電、磁諧振，使ε（w）＝μ（w），從而實(shí)現(xiàn)吸波材料和自由空間的阻抗匹配。按此設(shè)計(jì)原理，媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)吸波材料的電、磁參數(shù)在諧振區(qū)域具有較大虛部，可確保電磁波達(dá)到100 %的吸收率，故這種吸波材料被稱為“完美吸波材料（Peffect Metamaterial Absorber，PMA）”。

PMA于2008年由Landy等首先提出，其單元結(jié)構(gòu)和吸收率，如圖5，6所示。通過優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)，Landy等實(shí)現(xiàn)了單層結(jié)構(gòu)厚度僅為0.007λ、反射率為0.01%、透射率為0.9 %、吸收率高達(dá)99 %、半高峰寬（FWHM，吸收率在50 %以上的帶寬）只有4 %的PMA。進(jìn)一步研究還表明：按上述原理設(shè)計(jì)的PMA，其吸收率隨單元層數(shù)呈指數(shù)增加，且損耗主要來自材料的介質(zhì)。PMA的研制成功，使其成為研究熱點(diǎn)。隨著研究的深入，新型吸波結(jié)構(gòu)單元不斷被提出，材料的電磁特性也得到明顯改進(jìn)：如寬角度吸波和極化的穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)、吸波頻帶和擴(kuò)展吸波帶寬進(jìn)一步增加等，研究范圍也從微波、毫米波、太赫茲，一直延伸到紅外和近可見光等區(qū)域。

相比傳統(tǒng)吸波材料和文獻(xiàn)研究的吸波材料，PMA在吸波性能和結(jié)構(gòu)上具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）單元吸波的獨(dú)立性。依據(jù)PMA的設(shè)計(jì)思想，PMA每個(gè)單元的電磁諧振都獨(dú)立發(fā)生，單元之間的吸收相互獨(dú)立，大部分能量集中于每個(gè)單元內(nèi)部，單元之間的電磁場(chǎng)很小，吸波率對(duì)周期性的要求不高，而文獻(xiàn)依據(jù)的同相反射特性一般要求3個(gè)周期單元以上才能呈現(xiàn)出良好的電磁特性。該特點(diǎn)對(duì)PMA在天線系統(tǒng)的有限空間加載吸波材料非常有利。

2）超薄超輕，易于集成。PMA厚度一般小于幾十分之一波長，質(zhì)量很輕。由于是無源結(jié)構(gòu)，嵌入天線陣列可實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，不增加天線的質(zhì)量和復(fù)雜度。

3）、成本低，加工維護(hù)簡(jiǎn)單。采用一般的介質(zhì)材料板用電路蝕刻技術(shù)就可加工實(shí)現(xiàn)，成本低、維護(hù)方便，而且加工過程很容易在其他介質(zhì)上重復(fù)實(shí)現(xiàn)，包括軟介質(zhì)，如Poiymide介質(zhì)，可使結(jié)構(gòu)具有機(jī)械靈活性和柔韌性，易于共形。

2、MA在天線隱身中的應(yīng)用

吸波材料最重要的應(yīng)用是目標(biāo)隱身。目前，通過外形隱身和材料隱身技術(shù)，飛行器結(jié)構(gòu)的散射已得到有效減小，如此情況下，天線就成為其雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS）平臺(tái)上貢獻(xiàn)最大的散射源之一。解決天線隱身的方法包括帶外隱身和帶內(nèi)隱身兩種，對(duì)于帶外隱身，頻率選擇表面（Frequency Se- lective Surface，F(xiàn)SS）雷達(dá)天線罩能很好地解決問題。據(jù)《AVIONICS MAC》報(bào)道，美國新一代F-22戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)采用帶通式FSS雷達(dá)天線罩。但對(duì)天線帶內(nèi)隱身，F(xiàn)SS不是一種有效方法，依據(jù)現(xiàn)有研究成果，MA為解決這一問題提供了新的技術(shù)手段。

文獻(xiàn)將基于同相反射特性的MA應(yīng)用于4x10非均勻脊波導(dǎo)縫隙陣中，在工作頻率上RCS的E面峰值下降了8.1 dBsm，H面RCS峰值下降了6.3 dBsm。文獻(xiàn)利用同類型MA結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析了其在微帶天線和螺旋天線陣RCS減縮中的應(yīng)用，在保持天線輻射性能的基礎(chǔ)上同樣獲得良好的RCS減縮效果。文獻(xiàn)利用文獻(xiàn)提出的干涉型吸波材料設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一種“環(huán)結(jié)構(gòu)”的吸波結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于波導(dǎo)縫隙天線，實(shí)現(xiàn)天線帶內(nèi)RCS最大20 dB的減縮.增益增加1.7 dB，旁瓣則降低4 dB。

對(duì)基于MTM媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的PMA，雖然已表現(xiàn)出良好的吸波性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，但目前已有的文獻(xiàn)僅僅分析了其吸波特性，還沒有研究其在天線RCS減縮中的應(yīng)用，說明PMA在天線隱身方面的應(yīng)用還沒有引起足夠重視。

3、總結(jié)與展望

新型超材料的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)新型微波器件、設(shè)備提供了新的技術(shù)手段，利用其同相反射特性和媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)，眾多輕薄、吸收率較高的吸波材料正脫穎而出，尤其是基于媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的完美吸波材料，由于其自身的優(yōu)勢(shì)，必將在隱身領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景=但此類吸波材料目前仍處于探索階段，由于研制技術(shù)不夠成熟，距實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。

基于現(xiàn)有研究進(jìn)展，MA及其在天線隱身中的應(yīng)用研究，下一步將會(huì)集中在以下3個(gè)方面：1）、寬帶MA的研制。采用何種有效方法實(shí)現(xiàn)寬帶吸波，將是吸波材料研制的重要問題之一。2）、MA與天線的一體化設(shè)計(jì)。研究如何加載MA，使天線既能保持良好的輻射性能，又能實(shí)現(xiàn)RCS減縮，將是一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。3）結(jié)合已成熟的FSS雷達(dá)天線罩帶外隱身技術(shù)，研究如何實(shí)現(xiàn)天線全頻域RCS減縮，將是實(shí)現(xiàn)飛行器徹底隱身的根本問題。毫無疑問，上述3個(gè)方面研究前景誘人。